Se llama plasticidad neuronal a la capacidad de las neuronas de reorganizar sus conexiones sinápticas y la maquinaria bioquímica implícita, que aunque tienen lugar, de forma más relevante durante el desarrollo, en el adulto también tiene un papel relevante, ya que nos permite aprender nuevas habilidades, establecer los recuerdos, o adaptarnos a presiones ambientales, e incluso, nos ayudan en caso de daño cerebral. Así, las nuevas experiencias son registradas en circuitos neurales específicos como cambios en la actividad neuronal. Esta actividad neuronal está mediada por el receptor NMDA. Cuando el receptor NMDA es estimulado suficientemente, generalmente a través de la repetición, regula la expresión de distintos genes que finalmente modifican las conexiones sinápticas entre las neuronas del circuito. Estos cambios en las conexiones sináptica representan la base física de la memoria a largo plazo. Hoy en día se admite que las redes neuronales permanecen plásticas a lo largo de la vida de los organismos.
Sin duda, el órgano más complejo es el cerebro. Aunque no pesa mucho, unos 1500 g de promedio, está constituido por unos 100.000 millones de neuronas.
Podríamos pensar que son muchas, o no, ya que estamos constituidos por unos 40 billones de células..., pero más importante que el número es cómo están conectadas, y su capacidad para transmitir información.
Gracias a estas conexiones, somos capaces de percibir información tanto interna como externa, y una vez procesada, emitimos un amplio elenco de conductas... desde salir corriendo, a memorizar un teléfono, aunque esto, realmente, ya no se hace.
Experimentos pioneros del biólogo Roger Sperry en 1967 demostraron que aunque modifiquemos quirúrgicamente la conexión nerviosa que inerva la retina, o la de una fibra muscular, estos axones «conocen» con qué fibra muscular deben contactar, o el área de la retina que deben inervar, de manera que Sperry llegó a la conclusión de que las conexiones del sistema nervioso están determinadas en los genes del organismo.
Pero es difícil asumir que el genoma proporciona la información para especificar todas las conexiones de nuestro sistema nervioso. Más aún, si aceptamos que el número medio de sinapsis de cada neurona oscila aproximadamente entre las 7000 y las 10.000; y el número de genes posiblemente no alcance los 21.000, por lo que nuestros genes no tienen suficiente capacidad para determinar todas las sinapsis de nuestro sistema nervioso, y el patrón espacio temporal de la expresión génica no podría explicar la gran diversidad y especificidad de las conexiones sinápticas. En cualquier caso, una buena parte de nuestro genoma está dedicado a la construcción del cerebro Los trabajos de David Hubel y Torsen Wiesel (1979) en el sistema visual demostraron que la privación visual a gatos recién nacidos provocaba cambios importantísimos en la corteza visual primaria de estos animales.
Hubel y Wiesel cerraron el párpado de uno de los ojos de gatos recién nacidos, y tras una semana sin visión, encontraron que los axones que transportan la información visual desde el ojo cerrado establecían muy pocas conexiones con el córtex occipital, mientras que los axones del ojo abierto presentaban muchas más conexiones de lo habitual. Estos trabajos indicaron que la representación cortical del ojo no privado aumentaba a expensas de áreas corticales adyacentes que corresponderían al ojo privado de visión. Concluyeron que en el sistema visual, las neuronas necesitan una estimulación ambiental adecuada durante un periodo crítico para poder funcionar correctamente, es decir, su desarrollo depende de la cantidad y el tipo de estimulación sensorial. David Hubel y Torsen Wiesel, junto con Roger Sperry, fueron galardonados con el Nobel por sus trabajos sobre la corteza cerebral En los mamíferos y otros vertebrados, es necesaria la estimulación sensorial para el desarrollo normal del sistema nervioso. De forma similar a lo que ocurre con la privación visual en gatos, en humanos, las infecciones oculares en recién nacidos causaban ceguera funcional (antes del uso de los antibióticos), o en aquellos niños que presentan una hipermetropía o miopía muy acusada en uno de los ojos, deben recibir una correcta estimulación visual, generalmente antes de los cuatro años, para que no pierdan conexiones corticales a favor del ojo sano. Aunque suene a tópico, todas aquellas neuronas que disparan juntas permanecen juntas. De forma similar, los músicos que tocan instrumentos de cuerda presentan una mayor representación en su corteza somatosensorial de los dedos de la mano izquierda (diestros). Este hecho también se ve modulado, lógicamente, por la precocidad en las habilidades musicales (Kalat, 2015).
Teniendo en cuenta lo indicado anteriormente, podríamos entender que el desarrollo normal del cerebro depende de la interacción entre la herencia genética recibida y el ambiente. El ADN proporciona el chasis o la estructura básica del sistema nervioso, y la actividad del propio sistema nervioso, junto con la estimulación sensorial ambiental, proporcionan la información necesaria para que nuestro sistema nervioso se desarrolle y pueda funcionar correctamente.
El comienzo de las interacciones del organismo con el entorno conlleva cambios en las conexiones sinápticas; desde las que se forman nuevas, a las que son eliminadas ya que no son útiles, o a aquellas que se hacen más fuertes como consecuencia de la interacción con el medio. Lógicamente, también cabe la posibilidad que se debiliten. Las comunicaciones entre las neuronas al inicio de nuestra vida requieren de una sintonización muy fina entre las conexiones sinápticas, ya que como se ha mencionado antes, las sinapsis que son activas o aquellas que cambian son preservadas, mientras que el resto son eliminadas. Un principio más o menos de usar o tirar, y como consecuencia, preparamos a nuestro cerebro para dar cabida a casi un sinfín de posibilidades sensoriales (Nieto, 2003).
La transmisión sináptica química consiste en la liberación del neurotransmisor por parte de la neurona presináptica que se une, a proteínas específicas, o receptores, en las membranas de la neurona postsináptica y, como consecuencia de esta interacción, se modifica la actividad de la neurona postsináptica. La liberación del neurotransmisor puede variar por las características de la neurona presináptica y, dependiendo de distintas circunstancias, esta variación en la liberación del neurotransmisor o fuerza sináptica puede durar unos pocos segundos, unos minutos, o toda la vida.
Como se ha comentado al inicio y, a sabiendas de llegar a ser redundante, la plasticidad sináptica es el fenómeno celular por el cual las sinapsis pueden llevar a cabo cambios permanentes en sus propiedades como consecuencia de los patrones específicos de actividad. Y dado que buena parte de la actividad neuronal representa la información que llega al cerebro, se podría pensar que los cambios resultantes en las sinapsis que tienen lugar como consecuencia de esta actividad pudieran servir como el lugar físico donde la información es registrada, o engrama: cambios perdurables, tanto físicos como químicos, en una población de neuronas interconectadas, incitados por un aprendizaje (Kandel y cols., 2013).
En resumen, se podría concluir que la actividad sináptica puede inducir cambios sinápticos, los cuales juegan un papel muy importante en el almacenamiento de información en el cerebro. Esta idea fue propuesta por Martin y cols., (2000) como «la hipótesis de la plasticidad sináptica y la memoria». La plasticidad sináptica incluye cambios a corto plazo en la fuerza o la eficacia de la neurotransmisión, así como los cambios, a más largo plazo, en la estructura de las sinapsis.
Básicamente, existen dos procesos, llamados potenciación a largo plazo (PLP) y depresión a largo plazo (DLP), en los que la fuerza sináptica aumenta o disminuye respectivamente.
1. Potenciación a largo plazo PLP (long-term potentiation, LTP)
La fuerza sináptica puede ser regulada por una variedad de eventos tanto presinápticos como postsinápticos que dependen, principalmente, de tres factores: el número de vesículas sinápticas preparadas para su liberación, la probabilidad de que cada vesícula se fusione por efecto del potencial de acción, y del número de moléculas de neurotransmisor por vesícula (valor generalmente constante) junto con el número de receptores postsináticos estimulados por éstas. Estos tres parámetros son muy sensibles a la actividad de la neurona; así, por ejemplo, si un número de potenciales de acción recorren un axón, la cantidad de neurotransmisor liberado tras cada uno de éstos no tiene por qué ser constante, es decir, que como resultado de la actividad previa en el axón (número de potenciales de acción) podemos observar un aumento o una disminución en la liberación del neurotransmisor. (Kandel y cols., 2013).
Un incremento en la liberación del neurotransmisor es consecuencia del aumento en la concentración de Ca 2+ citoplasmático que, después de una serie de potenciales de acción, no es eliminado eficientemente, por lo que el exceso contribuye a incrementar la liberación del neurotransmisor tras la acción de potenciales de acción posteriores.
La PLP es el resultado de un incremento en la concentración de Ca 2+ tanto en la neurona presináptica como en la postsináptica, donde el incremento en la concentración de Ca 2+ conlleva cambios en el sistema de segundos mensajeros intracelulares y en la fosforilación de proteínas. Estos cambios generan un mayor número de receptores en la membrana plasmática, que a su vez produce un cambio al alza en la sensibilidad al neurotransmisor que llega a la hendidura sináptica. La DLP, depresión a largo plazo parece tener lugar en respuesta a un incremento más limitado en la concentración de calcio en la neurona postsináptica, lo que, al contrario de lo que sucede en la PLP, viene acompañado de una menor sensibilidad, en lugar de mayor, en los receptores plasmáticos.
Santiago Ramón y Cajal fue el primero en aventurar que la fuerza en las conexiones sinápticas era la base del aprendizaje.
«El ejercicio mental facilita un mayor desarrollo de las estructuras nerviosas en las partes del cerebro en uso. Así, las conexiones preexistentes entre grupos de células podrían ser reforzadas por la multiplicación de terminales nerviosas...» (Conferencia de Ramón y Cajal en The Royal Society en 1894).
Estos cambios en la fuerza sináptica es lo que conocemos como plasticidad neural. La capacidad para modular la fuerza de las conexiones entre las neuronas en respuesta a estímulos externos o a la experiencia fue definida por Donald Hebb en 1949, y de forma más precisa como:
«Cuando el axón de la neurona A excita a la neurona B, y repetitivamente o persistentemente interviene en su activación (de la neurona B), algún tipo de crecimiento o cambio bioquímico tiene lugar en una o ambas neuronas, de suerte que la eficacia de A como una de las neuronas estimuladoras de B, aumenta.» (Hebb, 1949).
Esta hipótesis que propuso Hebb según la cual el aprendizaje implica el fortalecimiento de las sinapsis cuando las neuronas pre y postsinápticas se activaran simultáneamente, se conoce como Principio de Hebb o Teoría de la asamblea celular (figura 1). Casi al mismo tiempo, Jerzy Konorski, 1948, propuso que la plasticidad neuronal inducida por la asociación repetitiva de estímulos podría estar mediada por la transformación de un conjunto de conexiones sinápticas ya preexistentes, en conexiones sinápticas funcionales mediante cambios morfológicos.
En 1966, en Oslo, Terje Lømo fue el primero en observar que breves pulsos de corriente eléctrica incrementaban la eficacia de la transmisión en las sinapsis entre la vía perforante y las células granulares de la circunvolución dentada del hipocampo.Timothy Bliss y Terje Lømo, poco más tarde, en 1973, encontraron un incremento estable y duradero en la eficacia de la transmisión sináptica tras estimular la misma vía aferente con estímulos de alta frecuencia en conejos.
Estos resultados quieren decir que si estimulamos una fibra presináptica durante algunos milisengundos con una frecuencia elevada, de por ejemplo 100Hz, obtenemos un fortalecimiento de la conexión, que consiste en que al estimular nuevamente la misma fibra presináptica, se obtiene una mayor respuesta en la neurona postsináptica.. Este reforzamiento puede durar desde minutos a semanas, y respaldan el principio de Hebb (Citri y Malenka, 2008). Las modificaciones en la transmisión sináptica que originan la PLP pueden deberse a una mayor cantidad de neurotransmisor liberado, o en una mayor sensibilidad del receptor postsináptico a la misma cantidad de neurotransmisor, o a ambas.
La PLP en el hipocampo se ha convertido en el modelo preferido para el estudio del aprendizaje y la memoria debido al hecho de que el hipocampo es una estructura fundamental para la memoria a largo plazo (ver más adelante), y que distintas propiedades de la PLP, como que puede ser generada rápidamente, que es dependiente de la actividad específica de sinapsis activas y que cuenta con características asociativas, hacen de la potenciación a largo plazo un buen modelo para explicar las bases celulares del aprendizaje y la memoria.
Los experimentos de inducción de PLP se han realizado de forma mayoritaria en las sinapsis excitatorias del hipocampo. El circuito básico de conexiones del hipocampo parte de la corteza entorrinal (la principal fuente de entrada) cuyos axones sinaptan con las neuronas granulares del giro dentado a través de la vía perforante. Las células granulares del giro dentado tienen axones que forman las fibras musgosas que conectan con las neuronas piramidales del área CA3 del hipocampo y que proyectan a las neuronas piramidales en CA1 por medio de la vía colateral de Schaffer.
Aunque la potenciación a largo plazo ha sido estudiada principalmente en las sinapsis del hipocampo, se ha observado que también se produce en otras áreas distintas, como la amígdala, el tálamo, el núcleo accumbens, el área tegmental ventral o el cerebelo.
Además, distintos estudios han demostrado la relación entre la PLP y el aprendizaje y la memoria, de forma que no solo la estimulación eléctrica o tetanización induce PLP, sino que la codificación de la memoria per se puede inducir PLP (Stuchlik, 2014).
En este punto conviene anticipar que la PLP se puede dividir en dos fases temporal y fisiológicamente distintas: la fase temprana y la fase tardía. La PLP temprana tiene una duración aproximada de 1 a 3 horas y requiere la modificación de proteínas ya existentes, aunque actualmente se discute que la síntesis de proteínas puede iniciarse en menos de una hora. La PLP tardía requiere de la síntesis de ARN, y tiene una duración de hasta semanas (en estudios in-vivo) o de hasta 10 horas en estudios in-vitro, antes (Nicoll, 2016).
1.1. Desencadenando la PLP
El aprendizaje induce cambios celulares y moleculares que, de alguna forma, facilitan la comunicación entre las neuronas y, a la postre, son esenciales para la formación de memorias. Si el aprendizaje hace referencia a cambios en la fuerza sináptica de circuitos neuronales concretos, la perseverancia de estos cambios representan la forma en la que la memoria se almacena.
Se piensa que la memoria a corto plazo es consecuencia de los cambios funcionales en redes neuronales preexistentes mediados por múltiples sistemas de transducción de señales intracelulares. Sería importante recordar en este punto que la forma temprana resulta, fundamentalmente, de la modificación de proteínas preexistentes en la sinapsis.
Estos cambios de corta duración pueden llevar a dos procesos de gran importancia: su desvanecimiento con el tiempo, u olvido, o que estas sinapsis se refuercen y se transformen en memoria a largo plazo mediante lo que conocemos por consolidación. El olvido es, al menos, tan importante como la consolidación, ya que como consecuencia de que una parte mínima de lo que percibimos es útil, el cerebro necesita un mecanismo para evitar sobrecargarse con información insignificante. Por otra parte, para consolidarse y no pasar al olvido, los cambios funcionales descritos anteriormente tienen que ir acompañados por la transcripción de genes específicos y su subsiguiente síntesis de proteínas, lo que conlleva cambios fenotípicos permanentes en la neurona que forman parte de las redes neuronales involucradas en procesos mnésicos. En cualquier caso, la consolidación no es un proceso excesivamente fidedigno, ya que las memorias almacenadas van cambiando gradualmente, y pueden llegar a desaparecer, y solo los aspectos más relevantes o útiles son retenidos en el tiempo (Purves y cols., 2008).
1.2. Papel crítico de los receptores NMDA y del catión Ca2+
Está establecido que el desencadenamiento de la PLP requiere la activación de receptores postsinápti cos de glutamato tipo NMDA (existen tres subtipos de receptores ionotrópicos de glutamato en razón de su afinidad por agonistas sintéticos: NMDA (NmetilDas partato), AMPA (ácido alfa-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico) y kainato (ácido 2carboxi-3-carboximetil-4-isopropenilpirrolidina). Pero, ¿cómo se desencadena este proceso? Durante la transmisión sináptica basal, el glutamato liberado se une a dos subtipos diferentes del receptor ionotrópico de glutamato, el denominado AMPA y el NMDA que, a menudo, se localizan en las espinas dendríticas. El receptor AMPA está asociado a un canal de cationes monovalentes como el sodio, y la activación de estos receptores proporciona la mayor parte de la corriente de entrada que genera la respuesta sináptica excitadora. Así, cuando el glutamato se une a los receptores AMPA, rápidamente abren sus canales iónicos produciendo un potencial postsináptico excitatorio. Una vez que el glutamato es eliminado de la hendidura sináptica, los canales iónicos se cierran y el potencial de membrana vuelve a tomar el valor del potencial de membrana en reposo (Kandel y cols., 2015).
El glutamato también se une a los receptores NMDA de la neurona postsináptica. Ellos también forman parte de la maquinaria celular que inicia los procesos de plasticidad sináptica. Los receptores de NMDA presentan una fuerte dependencia del potencial de membrana, debido a que el canal al que están asociados se encuentra bloqueado por el Mg 2+ en situaciones en las que el potencial de membrana es negativo. Como resultado, los receptores de NMDA contribuyen poco a la respuesta postsináptica durante la actividad sináptica basal. Pero cuando las sinapsis se activan por impulsos rápidos y múltiples, es decir, se despolariza la neurona postsináptica como consecuencia de la gran actividad sináptica mediada a través de los receptores AMPA, se libera el Mg 2+ del canal iónico del receptor NMDA por un proceso de repulsión eléctrica, permitiendo así que tanto el Ca 2+ como el Na + entren a través del canal del receptor a la neurona postsináptica. El flujo de Ca 2+ no dura menos de un segundo (para algunos autores algo más), el tiempo que permanece unido el glutamato a NMDA (Malenka, 2002).
Este modelo parece bastante convincente, ya que, por ejemplo, los antagonistas del receptor NMDA impiden la generación de PLP, o el uso de quelantes (compuesto químico con la capacidad de «secuestrar» cationes del medio) de Ca 2+ bloquean la PLP, mientras que el incremento directo de Ca 2+ intracelular en la neurona postsináptica mimetiza la PLP o, incluso, la activación del receptor de NMDA genera un gran incremento de Ca 2+ en las espinas dendríticas.
A modo de resumen podríamos indicar que para que el receptor NMDA se abra y deje pasar a los iones Ca 2+ , imprescindibles para el desarrollo de la PLP, simplemente se requiere que la estimulación presináptica induzca la despolarización de la neurona postsináptica a través de los receptores AMPA, lo que al mismo tiempo permite que el Mg 2+ desocupe el canal del receptor de NMDA, y que una vez liberado el receptor de NMDA del Mg 2+ , la unión del glutamato a éste permita que el Ca 2+ fluya al interior celular. Quizá en este punto sea conveniente indicar que los receptores de NMDA requieren de la unión tanto de glutamato, como de glicina o serina como coagonista, así como de la despolarización de la neurona para activarse y permitir el flujo iónico (este receptor es dependiente tanto de voltaje como de ligando). Con la activación repetida de la neurona, entrará suficiente calcio en la neurona postsináptica y activará los eventos moleculares necesarios para la inducción de la PLP. El aumento resultante de Ca 2+ intracelular es necesario, y tal vez suficiente, para desencadenar la PLP, y este calcio en la neurona postsináptica explica la especificidad de la PLP.
El siguiente paso sería conocer cuál es el papel del Ca 2+ una vez dentro de la neurona postsináptica, ya que éste es requerido para la activación de la PLP, o qué molécula desencadena los eventos moleculares necesarios para la inducción de la PLP. El flujo de Ca 2+ activa varias vías de señalización celular que implican a distintas proteínas kinasas y fosfatasas.
Una de las kinasas activadas por la entrada de Ca 2+ a través del receptor de NMDA es la Ca 2+ /calmodulina proteína kinasa II (CaMKII), ¡algunos autores la han denominado como la molécula de la memoria! Una vez autofosforilada por la presencia de Ca 2+ / calmodulina se trasloca a la densidad postsináptica donde la CaMKII se puede unir a distintas subunidades del receptor NMDA. De entre éstas, la interacción con la subunidad GluN2B parece ser crítica para la inducción y el mantenimiento de la PLP ya que es fosforilada por la CaMKII incrementando la conductancia (Levine y Kolb 2000). El receptor AMPA, constituido por cuatro subunidades, GluA1GluA4, también es sustrato de la CaMKII en la densidad postsináptica (especialización del citoesqueleto del lado citoplasmático de la neurona postsináptica implicado en distintas funciones relacionadas con el anclaje de receptores, etc.) y fosforila a la subunidad GluA1 (en este caso la fosforilación es en la serina 831) de este receptor. Esta fosforilación de GluA1 por CaMKII provoca un aumento en la conductancia, por lo que se cree que es uno de los princi pales responsables de aumentar la eficacia de las sinapsis glutamaérgicas en el hipocampo durante la PLP.
Como consecuencia de la activación del receptor NMDA y el flujo de Ca 2 + hacia el interior de la dendrita, nuevos receptores AMPA son insertados en la membrana postsináptica (a este hecho se le denomina externalización de receptores). Este incremento en el número de receptores tipo AMPA en la sinapsis podría ser consecuencia de la acción de la CaMKII una vez fosforilada, ya que la CaMKII puede incrementar el tráfico (externalización) de receptores AMPA en la espina dendrítica (aunque parece que no es determinante). Este incremento de receptores AMPA hace que la transmisión sináptica se haga más fuerte. Por lo tanto, una mayor actividad en los receptores AMPA, ya sea por el aumento del número de receptores AMPA en la sinapsis o por aumento de la conductividad de éste, o por ambos, sería el mecanismo postsináptico clave que conduce al aumento de los potenciales postsinápticos excitadores que se observan en respuesta a la PLP.
Los mecanismos moleculares por los cuales la activación de las proteínas kinasas, como CaMKII, conducen a la inserción de receptores AMPA, aún no están del todo claros. La fosforilación del receptor AMPA por la CaMKII no parece determinante, aunque otras kinasas, como la proteína kinasa C, PKC, y especialmente la proteína kinasa A, PKA (ver más adelante), que fosforila otros residuos de la subunidad GluA1, sí puede ser de gran importancia para el transporte de receptores AMPA desde los endosomas de reciclaje a la membrana plasmática (exocitosis del receptor AMPA, Park y cols., 2004). Por otra parte, hay evidencias de que la fosforilación de los complejos proteicos TARPs (los receptores AMPA se localizan en las sinapsis y forman complejos proteicos con proteínas transmembrana reguladoras de los receptores AMPA; TARPs de sus siglas en inglés) se produce tras la activación de CaMKII, y ésta sí puede ser crítica para la PLP.
Es altamente probable que los receptores AMPA junto con los TARPs formen parte de un gran complejo proteico, donde la fosforilación de éstos sea necesaria para la expresión de la PLP (Luscher y Malenka, 2012).
Otras proteínas kinasas también pueden desempeñar algún papel en el desencadenamiento de la PLP, pero posiblemente su papel sea considerablemente menos importante que la que posee la CaMKII. La activación de la proteína kinasa A dependiente de AMPc, además de su papel en la inserción de receptores AMPA en la membrana, aumenta la actividad de CaMKII, pero de forma indirecta, ya que disminuye la actividad de una proteína fosfatasa (una fosfatasa es aquel tipo de enzima que elimina los grupos fosfato añadidos previamente por la actividad de una kinasa), el denominado inhibidor1 o I1. Se supone que la PKA, una vez activada, fosforila a la I1, por lo que queda activada e impide la inactivación de la CaMKII. La proteína kinasa C, PKC dependiente de diacilglicerol (existen isoformas dependientes de Ca 2+ o de fosfatidilcolina), desempeña un papel análogo a la de CaMKII por el hecho de que los inhibidores de PKC bloquean la PLP, y el aumento de la actividad PKC postsináptica puede mejorar la transmisión sináptica. La proteína kinasa activada por mitógenos, MAP kinasa (MAPK, activada por factores de crecimiento o estrés) también se ha sugerido que es importante para la activación de la PLP, aunque no se conoce aún muy bien el papel de estas kinasas. Este tipo de enzimas son especialmente importantes en la ruta de señalización de factores de crecimiento y, al igual que la CaMKII, pertenece al grupo de kinasas que fosforilan residuos de serina o treonina (Lattal y Abel, 2000).
El receptor metabotrópico de glutamato también ha sido involucrado en la inducción de la PLP. Además de la activación de receptores ionotrópicos, el glutamato activa receptores metabotrópicos acoplados a proteínas G, del que existen ocho tipos diferentes etiquetados como mGluR (18) y que se clasifican en tres grupos: I, II, y III, basándose en la estructura y en la actividad fisiológica de éstos. Subtipos de receptor mGluR 1 y 5 (grupo I mGluRs ) están acoplados a la fosfolipasa C (PLC), y desencadenan elevaciones de inositol trifosfato (IP3) y diacilglicerol, junto con la movilización de Ca 2+ y la consiguiente activación de la PKC (comentada anteriormente). (Luscher y Malenka, 2012).
Podríamos concluir que durante el inicio, o primeras fases de la inducción de la LTP, tiene lugar una activación de las vías de transducción de señales dependientes de calcio, principalmente a través de la CaMKII, lo que resulta en la fosforilación de las subunidades GluA1 del receptor AMPA, que como consecuencia aumenta su conductancia. Aproximadamente al mismo tiempo, el receptor AMPA se trasloca a la densidad sináptica, principalmente por difusión desde las zonas laterales de la sinápsis. Los nuevos receptores AMPA sinápticos son estabilizados a través de su interacción con el complejo TARP (y concretamente, a través de una proteína denominada PSD95).
La mayoría de los investigadores cree que la incorporación de receptores AMPA a la densidad sináptica es el cambio más importante, ya que parece estar acompañado de cambios estructurales en las espinas dendríticas, lo que sustentaría los procesos involucrados en el mantenimiento de PLP.
1.3. May the Force be with you (célebre frase utilizada en la ficción de Star Wars): ¡Que la fuerza te acompañe!
Estos cambios puramente funcionales, bioquímicos, no pueden mantenerse en el tiempo en ausencia de cambios estructurales de las neuronas que participan en estas sinapsis activadas, por lo que los mecanismos que permiten que la PLP persista durante horas, días, o incluso más tiempo, son de gran importancia. Al igual que prácticamente todos los fenómenos biológicos celulares, el mantenimiento de la PLP es dependiente de la síntesis de nuevas proteínas.
La activación sostenida de una misma vía sináptica promueve el mantenimiento de la PLP al afectar a la transcripción de genes específicos. Así, la proteína kinasa A, PKA dependiente de AMPc, ha sido involucrada en el mantenimiento de la PLP más que en su activación. La PKA puede modificar la transcripción génica por la fosforilación de distintos factores de transcripción, uno de los cuales es el CREB, de sus siglas en ingles «cAMP response element-binding». El CREB, una vez fosforilado por la PKA, se une a una secuencia concreta de nucleótidos del DNA conocida como «elemento de respuesta a AMPc, o CRE» y regula la transcripción de genes concretos que contienen esta secuencia CRE en sus promotores (Alberts y cols., 2015). Una de las proteínas que es regulada por el factor de transcripción CREB es el factor neurotrópico derivado del cerebro o BDNF (de sus siglas en inglés «brain derived neurotrophic factor»).
Las MAPK fosforila (consultar recuadro kinasas) una amplia variedad de factores de transcripción, incluyendo cfos, cjun, Myc o Zif268/Egr1. Presumi blemente, estas vías promueven la expresión de genes efectores que se requieren para el mantenimiento de estas sinapsis reforzadas. El ERK (proteína kinasa reguladora de señal extracelular), miembro de esta familia de kinasas activadas por mitógenos (MAPK), desempeña un papel crucial en la PLP, ya que es responsable de fosforilar distintos factores de transcripción, que a su vez transcriben distintos ARNm que son conducidos a las espinas dendríticas donde forman parte del pool o grupo de proteínas funcionales de la sinapsis.
En paralelo, también pueden tener lugar cambios estructurales en la sinapsis, tales como el incremento del tamaño de la densidad postsináptica, o una ma yor proporción de sinapsis perforadas, relacionado este hecho con el incremento de receptores AMPA (ver figura 8) y mayor densidad de espinas dendríticas, o incluso el crecimiento de nuevas sinapsis y la poda de las ya existentes. Además, la activación sináptica del tipo que desencadena la PLP provoca un crecimiento de las espinas, que son dependientes del receptor de NMDA.
Esta actividad, a su vez, conduce a un aumento en el tamaño de la zona activa (zona de la neurona presináptica por donde se libera el neurotransmisor), de tal manera que las sinapsis potenciadas son agrandadas de forma permanente. El mantenimiento de estos cambios durante más de unas pocas horas depende de la transcripción y la síntesis de las proteínas dendríti cas correspondientes, lo que proporciona a las sinapsis un suministro de proteínas críticas para el mantenimiento de la fuerza sináptica. El conjunto de hechos expuestos queda resumido en la figura 9 (Lamprecht y LeDoux, 2004).
La activación sináptica que da lugar a la PLP implica la síntesis de proteínas específicas que tienen por objeto estabilizar estas sinapsis reforzadas. Existe una hipótesis que propone que para este proceso se genera una «marca sináptica» (synaptic tag) en aquellas proteínas recién sintetizadas, y una vez «marcadas», son trasportadas hacia las espinas dendríticas (Frey y Morris, 1997). Sin embargo, es poco lo que se sabe acerca de la identidad de la etiqueta sináptica o de las proteínas recién sintetizadas que se requieren para mantener la PLP, aunque se ha sugerido que la PKA o la CaMKII podría funcionar como marca sináptica.
En realidad todo apunta a pensar que son varios los mecanismos (tanto pre como postsinápticos) implicados en el desarrollo de la PLP, y se han aportado pruebas de que la PLP también se debe a un fenómeno presináptico que llevaría a una mayor liberación del neurotransmisor con el consiguiente refuerzo del efecto postsináptico (es decir, un potencial postsináptico más intenso). En este caso, se postula que un mensajero retrógrado lleva el mensaje de la neurona postsináptica a la presináptica modificándola y determinando una mayor liberación de quantas de neurotransmisor (vesículas donde va el neurotransmisor). Se ha postulado que el transmisor retrógrado podría ser el óxido nítrico (NO), pero antes de analizar el putativo papel del óxido nítrico, se va a exponer el papel de la actina en la PLP, con el fin de evidenciar la existencia de la plasticidad estructural.
1.4. Unas proteínas del citoesqueleto celular ponen a buen recaudo nuestros recuerdos
Si aceptamos la idea de que los cambios en la eficacia sináptica forma la base de los procesos de aprendizaje y memoria, y, al mismo tiempo, que los receptores postsinápticos de glutamato son los encargados de detectar este neurotransmisor liberado por los terminales presinápticos, y que como consecuencia de esta interacción, se activan determinadas rutas de señalización celular, podemos pensar que la plasticidad depende en gran medida de los receptores de glutamato, los cuales se concentran en unas pequeñas protrusiones postsinápticas denominadas espinas dendríticas. Éstas tienen una capacidad de remodelación constante, propia de la actividad sináptica necesaria para la plasticidad neural, y es donde se concentran los receptores de glutamato (densidad postsináptica), por lo que se consideran, probablemente, el principal lugar de procesamiento y almacenaje de información en el cerebro (Bosch y Hayashi, 2012). La longitud y ramificación dendrítica, así como de la densidad, forma y distribución de las espinas dendríticas parecen estar influidos por una gran diversidad de factores, como los procesos de aprendizaje, la desnutrición, la privación sensorial o el estrés, entre otros.
Las espinas dendríticas se componen de una cabeza esférica y un cuello estrecho, pero varían en su forma, por lo que son clasificadas como: gruesa y corta, sin cuello (stubby), en forma de champiñón y de cabeza grande (mushroom), o fina y de cabeza pequeña (thin) (Sekino y cols., 2007). Existe una relación entre el tamaño de la cabeza de la espina y los niveles de receptores AMPA: las espinas delgadas y pequeñas (espinas inmaduras) son más plásticas, y por tanto, con mayor capacidad de remodelación en respuesta a estímulos, y por consiguiente, más susceptibles a la PLP, mientras que las de mayor tamaño, son más estables y con una menor plasticidad (espinas de memoria).
Estructuralmente, las espinas dendríticas dependen principalmente de la actina, proteína globular que forma los microfilamentos, uno de los componentes del citoesqueleto, por lo que esta proteína es limitante para la morfología de la espina. Por otra parte, ésta se concentra principalmente en la llamadas densidades postsinápticas, así como en los «cuellos» de éstas (Hotulainen y Hoogenraad, 2010).
Como se ha mencionado anteriormente, las espinas dendríticas tienen una capacidad de remodelación constante, ya que pueden cambiar de tamaño, forma e incluso en el número, en respuesta a distintas situaciones como sería el caso de la plasticidad, o en respuesta a otras circunstancias de señalización neuronal. Estos cambios observables en las espinas son consecuencia del proceso de polimerizacióndespolimerización de monómeros de actina. La actina se polimeriza para formar los microfilamentos, esenciales para la realización de las distintas funciones celulares. Consecuentemente, la membrana necesita de los microfilamentos para la formación de protrusiones en respuesta a estímulos, y por otro lado, de la interacción de la actina polimerizada con otras proteínas de membrana.
1.5. Otras actrices... las Rho GTPasas (guanosina trifosfatasa)
Por lo descrito anteriormente, parece que la inducción de la potenciación a largo plazo depende de la morfogénesis de las espinas dendríticas. Si asumimos que la espina dendrítica es la estructura neural dedicada al almacenamiento de información, la capacidad de modificación de ésta (extenderse o retraerse, etc.) debe ser limitado, ya que si no, podría llegar a perderse la información acumulada.
La familia Rho de GTPasas son un conjunto de proteínas G monoméricas (no confundir con las proteínas G heterotriméricas ancladas en la membrana plasmá tica) pertenecientes a la superfamilia de Ras.
Son esenciales en las complejas redes de señalización, concretamente, son uno de los reguladores de las vías de señalización que conectan los estímulos extracelula res o intracelulares con el ensamblaje y organización de la actina. Las proteínas Ras son los protooncogenes con mayor índice de mutación en el cáncer humano. Una activación aberrante de Ras como consecuencia de una mutación génica, modificación de su expresión, o desregulación, está implicada en aspectos del fenotipo maligno tales como la proliferación, invasión y metástasis, para lo que son imprescindibles estas moléculas (Lorenzano y cols., 2010). Asociadas a la cara interna de la membrana, trabajan como interruptores para una gran variedad de rutas de transmisión de señales dependiendo del tipo de proteína Ras (ver tabla I. Lorenzano y cols., 2010), aunque generalmente, transmiten señales desde la membrana plasmática al núcleo, donde interviene en distintos procesos celulares de gran importancia como la progresión del ciclo celular, la morfología celular, la adhesión, el movimiento, etc.
En las espinas dendríticas de distintos tipos neuronales se expresan, entre otros, tres GTPasas de la familia de Rho, en concreto: Rho A, Rac y Cdc42, (ver tabla I), las cuales juegan un papel esencial en la morfogénesis, crecimiento y/o estabilización de éstas, y como ya se ha mencionado, a través de la interacción entre estas GTPasas y la actina.
Una de las principales Rho GTPasas determinante en la morfogénesis de las espinas dendríticas es la Rho A. La Rho A se activa cuando el calcio entra en la neurona a través de los receptores de NMDA, se une a la calmodulina y activa a la CaMKII, lo que conduce a la activación de Rho A, que tras la actuación de distintos intermediarios proteicos conduce a la inhibición de una proteína llamada cofilina (una proteína de unión a actina, entre otras muchas, como por ejemplo la profilina) que tiene como función despolimerizar los segmentos de actina, es decir, esta proteína que es inhibida por Rho A, impediría la despolimerización de la actina. A su vez, la Cdc42, mediante la activación de la CaMKII, inhibe la cofilina, lo que conduce a una mayor polimerización de la actina de forma similar a lo descrito para la Rho GTPasa (Tolias y cols., 2007, Dityatev y cols., 2010). Estudios llevados a cabo con animales de experimentación han demostrado que la modulación de la actividad cerebral de Rho A y Rac1 en ratones conduce a una reorganización de la actina, al tiempo que mejora la neurotransmisión y el aprendizaje y la memoria testados en varios paradigmas conductuales. Los efectos persistieron durante semanas (Diana y cols., 2007).
A pesar de lo enrevesado de todo lo expuesto en relación al papel de la actina en la regulación y el mantenimiento de las espinas dendríticas, no podemos dudar del papel de esta proteína en la plasticidad neural (Bosch and Hayashi, 2012).
A modo de resumen de toda esta parafernalia proteica utilizada, y recogiendo el resultado de investigaciones más recientes, en la figura 14 se exponen mecanismos celulares y moleculares implicados en la potenciación a largo plazo (Herring y Nicoll, 2016).
Se cree que los cambios a largo plazo en las conexiones sinápticas son la base de la formación de la memoria. Estos cambios tienen lugar en las denominadas espinas dendríticas, y están sustentados por la actina.
La actina no sólo proporciona el soporte estructural, sino que también es esencial para el anclaje de los receptores AMPA en la membrana. Las proteínas sinápticas están en continuo movimiento dentro y fuera de la membrana, por lo que el número de receptores AMPA en la sinapsis se rige por la tasa relativa de la exocitosis y endocitosis, lo que da lugar a cambios en el volumen de la espina, que en último término depende de las Rho GTPasa. La PLP está asociada a un aumento del volumen de la espina, mientras que la DLP (Depresión a Largo Plazo. Ver más adelante) en una disminución, es decir, el aumento en la fuerza sináptica está asociada con una espina agrandada, y este agrandamiento precede al incremento en el número de receptores AMPA, mientras que una reducción en la fuerza sináptica (DLP) se correlaciona con espinas más pequeñas (GordonWeeks y Fournier, 2014; Stefen y cols., 2016).
No me gustaría que quedara como anecdótico el papel de estas proteínas, como si fueran una más de entre un montón. Aunque estén involucradas en un proceso tan relevante como el aprendizaje, en procesos celulares vitales, o en el desarrollo de fenotipos celulares malignos, también son responsables del desarro llo de trastornos neurológicos, entre ellos, el síndrome de X frágil, donde una mayor densidad de espinas dendríticas con mayor proporción de formas aparentemente inmaduras se han observado en las neuronas piramidales de la corteza cerebral de estos pacientes (Hotulainen y Hoogenraad, 2010).
2. El mensajero retrógrado
Además del aumento en el número de receptores AMPA en la membrana postsináptica, también es posible que tengan lugar cambios en la neurona presináptica que acarrean un aumento en la liberación de glutamato y que, consecuentemente, se produzca una mayor estimulación de la neurona postsináptica, es decir, en un aumento de la fuerza sináptica. Tampoco sería de extrañar que las alteraciones sinápticas provocados por la PLP requieran cambios coordinados tanto en la neurona postsináptica como en la presináptica. Pero si este hecho es correcto, se presenta una duda, es decir, si el proceso se inicia en las espinas dendríticas de la neurona postsináptica, ¿cómo puede afectar ésta a la neurona presináptica?, ya que debería transportar el mensaje en dirección contraria, desde la neurona postsináptica a la presináptica. Esta incongruencia la despeja el óxido nítrico.
El monóxido de nitrógeno, más conocido como óxido nítrico (NO), forma parte del grupo de óxidos de nitrógeno que existen en la naturaleza, entre ellos, el dióxido de nitrógeno (NO2 ) y el monóxido de nitrógeno (N2 O). El oxido nítrico participa en numerosos procesos biológicos dirigidos al mantenimiento de la homeostasis: inmunológicos, digestivos, cardiovasculares, etc. Es un gas sintetizado a partir de la arginina (óxido nítrico sintetasa, ONS) y con una vida media muy corta, no más de 5 segundos, y que, además, permea libremente a través de la membrana celular. Estas características del NO son las que le permiten llevar el men saje, de forma inusual, retrógradamente, desde las espinas dendríticas hacia los botones terminales de los axones (Vanaja y Ekambaram, 2011).
Otra de las características del óxido nítrico es que se trata de un neurotransmisor no convencional, ya que no se almacena en las vesículas sinápticas y no se libera tras la despolarización de la membrana, sino que es liberado tan pronto como es sintetizado. Además, no media su acción uniéndose a los receptores de membrana convencionales, actúa directamente sobre los componentes intracelulares. El hecho de que tenga, además, un electrón desapareado, por lo que tiene naturaleza de radical libre, no va a parecer relevante aunque lo sea. El óxido nítrico se sintetiza en el cerebro solo bajo demanda, es decir, exclusivamente cuando se requiere (al igual que los endocanabinoides), y una vez producido, atraviesa las membranas celulares para alcanzar los botones terminales, donde llevará a cabo los cambios relacionados con la PLP.
Tras la liberación del glutamato por el terminal sináptico, éste se une a los receptores NMDA e induce el flujo de Ca 2+ en la neurona postsináptica (ver figu ra 15). El incremento en la concentración de Ca 2+ activa a la Ca 2+ /calmodulina, la cual estimula la síntesis de oxido nítrico mediante la activación de óxido nítrico sintetasa (ONS). El óxido nítrico se difunde en las membranas presinápticas y activa la guanilato ciclasa (GC) que sintetiza GMPc a partir de GTP. El aumento de GMPc activa la proteína kinasa dependiente de GMPc, la PKG, la cual acelera la endocitosis de las vesículas sinápticas del botón terminal a través de la regulación al alza del fosfatidilinositol 4,5 bifosfato (PIP2 ), ruta de señalización de la fosfolipasa C, también comentada anteriormente. La importancia de esta regulación de la endocitosis en la neurona presináptica depende de la señal retrograda NO-PIP2 (a su vez, dependiente de la cantidad de glutamato liberado) que es la que acopla o ajusta los procesos endocitosisexocitosis de las vesículas sinápticas para el mantenimiento de la transmisión sináptica perdurable en el tiempo, es decir, este mecanismo ajusta la tasa de liberación de glutámico a la tasa de reciclaje de vesículas presinápticas (Huang, 1997; Eugichi y cols., 2012).
Como se ha comentado antes, la óxido nítrico sintetasa (ONS) está presente en la densidad postsináptica y estrechamente asociada a los receptores NMDA. El óxido nítrico generado en las sinapsis en respuesta a la activación de este receptor difunde localmente y desencadena la activación de una cascada de la PKG dependiente de GMPc (vía Rho GTPasa) que promueve la polimerización de actina y la formación de espinas dendríticas.
Posiblemente el óxido nítrico no solo esté implicado en los cambios a corto plazo tales como las tasas de reciclaje y la disponibilidad de vesículas sinápticas, sino también, y a más largo plazo, en el aumento de la disponibilidad de neurotransmisor mediante la formación de nuevos terminales sinápticos (Bernardinelli y cols., 2014a y 2014b).
3. Depresión a largo plazo (DLP)
La propiedad más notable de las sinapsis no es tanto que transmitan información de una neurona a otra, que también, sino que pueden alterar la eficiencia con la que lo hacen. Esta propiedad, conocida como plasticidad sináptica, es la base del almacenamiento de información en el cerebro, la cual incluye la potenciación a largo plazo, la sinaptogénesis, la modulación de la excitabilidad intrínseca o la neurogénesis en adultos (plasticidad neural). Ya se ha comentado que la estimulación de alta frecuencia, por encima de 10 Hz, aumentan la fuerza sináptica o PLP, mientras que si la estimulación es a baja frecuencia, inferior a los 10 HZ, la eficacia sináptica disminuye en lugar de aumentar. Este fenómeno, conocido como depresión a largo plazo, o DLP, también juega un papel importante en el aprendizaje. Los modelos de redes neuronales proponen que las modificaciones bidireccionales de la eficacia sináptica, tales como la potenciación a largo plazo (PLP) y la depresión a largo plazo (DLP) son utilizados para la codificación de la memoria; al parecer, los circuitos neuronales que contienen recuerdos son establecidos por el fortalecimiento de algunas sinapsis y la debilitación de otras, es decir, tanto el fortalecimiento como el debilitamiento sináptico son necesarios para el almacenamiento óptimo de la memoria. Así, la DLP puede eliminar el efecto potenciador de la PLP, y la PLP puede ejercer el mismo efecto sobre la DLP. Para convertir el reforzamiento sináptico en un mecanismo útil, que permita codificar nueva información, deben existir procesos que debiliten de manera selectiva grupos específicos de sinapsis (Grey y Burrell, 2010).
La depresión sináptica a largo plazo es afín a la PLP en tanto en cuanto dependen de la activación de los receptores NMDA para su inducción, tienen cursos temporales similares, las dos requieren de la síntesis de proteínas (al menos cuando es a largo plazo) y se consideran como el sustrato celular de los procesos de aprendizaje y memoria. Al igual que la PLP, la DLP se ha encontrado en diferentes regiones del cerebro y en distintas formas. En el estudio de la DLP nos vamos a centrar en la DLP dependiente de receptor NMDA en las sinapsis excitadoras, en las neuronas piramidales CA1 hipocampales que parece ser el resultado, en gran parte, de una inversión de los procesos que median la PLP.
3.1. Inducción de PLP frente a la inducción de DLP
Tanto la PLP como la DLP son inducidas por patrones específicos de estimulación eléctrica. Como ya se ha indicado anteriormente, para la inducción de PLP, tanto las neuronas pre como la postsinápticas requieren estar activas al mismo tiempo, ya que la neurona postsináptica debe estar despolarizada cuando el glutamato se libere del botón presináptico y se una al receptor NMDA y, así, expulse al Mg 2+ que bloquea el canal de Ca 2+ de este receptor. Como consecuencia de la despolarización y de la unión del glutamato al receptor NMDA, el Ca 2+ entra en la neurona, el cual activa las cascadas intracelulares comentadas anteriormente, que en última instancia son las responsables de la alteración en la eficacia sináptica. La PLP dependiente de NMDA es una forma de plasticidad asociativa y cumple con los criterios propuestos por Donald Hebb hace 70 años relativos al origen del fortalecimiento de las conexiones sinápticas entre dos neuronas. Inversamente, se puede inducir DLP por la estimulación repetida de la neurona presináptica con bajas frecuencias y sin activación postsináptica. La respuesta de una neurona postsináptica a una estimulación repetitiva es un pequeño pero significativo aumento en el flujo de Ca 2+ , ya que la fuerza de entrada del calcio es muy grande incluso en neuronas en reposo, y el bloqueo por parte del Mg 2+ del canal de Ca 2+ del receptor NMDA no es completo. Pre sumi blemente, este modesto flujo de Ca 2+ , a través del receptor NMDA, es el que desencadena la DLP, a diferencia de la PLP que requiere un aumento de Ca 2+ más allá del umbral crítico (Franks y Sejnowski, 2002).
3.2. ¿Es el Ca2+ el que decide si se desencadena la PLP o la DLP?
Está aceptado que una modesta activación de los receptores NMDA conducen a un aumento moderado de Ca 2+ en la neurona postsináptica, la cual es suficiente para desencadenar la DLP, mientras que una activación de muchos más receptores NMDA conduce a un aumento mucho mayor de Ca 2+ postsináptico, que son los requeridos para desencadenar la PLP.
Quizá es el momento de apuntar que una característica importante de este tipo de plasticidad dependiente de receptores NMDA es su especificidad sináptica, es decir, sólo se activan aquellas sinapsis cuyos receptores NMDA son estimulados por el glutamato liberado presinápticamente, de forma que podemos inducir PLP en una sola sinapsis sin causar PLP o DLP en las sinapsis vecinas.
Si el calcio es la señal para desencadenar la PLP a través de la acción de las proteínas kinasas, podríamos hipotetizar razonablemente que la DLP sería consecuencia de la activación de proteínas fosfata sas, enzimas que realizan justo la actividad contraria, y varias de las cuales se encuentran en las sinapsis excitatorias.
La DLP depende de una proteína fosfatasa dependiente de Ca 2+ y calmodulina, la calcineurina (también conocida como proteína fosfatasa 2B, PP2B) y de la proteína fosfatasa 1 (PP1). Como su nombre indica, la calcineurina es una enzima que elimina los grupos fosfatos (es una fosfatasa y, en consecuencia, desfosforila) de los residuos serina o treonina (acción contraria a la CaMKII, comentado anteriormente) bajo control del Ca 2+ y la calmodulina. Debido a que la calcineurina tiene mayor afinidad por el calcio que la CaMKII, hace que el menor incremento en la concentración de este catión durante la DLPactive preferentemente a la calcineurina, y no, a la CaMKII. Este hecho no es baladí; en condiciones basales, cuando los niveles de Ca 2+ libre neuronal son bajos, la calcineurina está activa e impide la generación de PLP al inhibir a la CaMKII y toda la ruta de señalización asociada a ella a través de la acción de la PP1. Por otra parte, la PP1 pertenece a un amplio grupo de fosfatasas que eliminan igualmente el grupo fosfato de residuos de serina o treonina de distintas fosfoproteínas. Mientras que la CaMKII puede mantenerse activa mediante autofosforilación tras la estimulación inicial por el Ca 2+ /calmodulina, la calcineurina y la PP1 tiene una actividad opuesta, son dos fosfatasas capaces de revertir la autofosforilación de la propia CaMKII, así como alguno de los sustratos de ésta.
Según el modelo propuesto por Lisman a finales de los ochenta (Lisman, 1989), un hipotético equilibrio entre enzimas kinasas y fosfatasas opera en las neuronas para controlar la eficacia sináptica. Así, las bajas concentraciones de Ca 2+ en las espinas dendríticas en respuesta a estímulos de baja frecuencia activan a la calcineurina. Como es una fosfatasa, elimina el grupo fosfato de otra proteína, la proteína inhibidora-1, o I1, con lo que ésta es inhibida (desfosforilada).
La función de la I1 es eliminar el grupo fosfato de la PP1, lo que la inactiva. Si la PP1 está fosforilada, ya que no actúa sobre ella la I1, la PP1 inactiva a la CaMKII y consecuentemente se inhibe la inserción de los receptores AMPA en la membrana plasmática, entre otros efectos, lo que da lugar a la inducción de la DLP (Luscher y Malenka, 2012). Incidir nuevamente que la alta afinidad de la calcineurina por el Ca 2+ impide la generación de PLP a bajas concentraciones de Ca 2+ . Sin embargo, a altas concentraciones de Ca 2+ , la calmodulina activa a la quinasa dependiente de AMPc (PKA) que fosforilando a la I1 suprime la actividad de la PP1.
Consistente con esta hipótesis, la inhibición de estas fosfatasas impide la DLP, mientras que la sobreexpresión de PP1 mejora la DLP. A pesar de que otras proteínas de señalización distintas de las fosfatasas parecen desempeñar un papel en la DLP, la hipótesis de que la PLP implica la activación preferencial de proteínas quinasas, mientras que la DLP implica la activación de las fosfatasas, sigue siendo predominante (Citri y Malenka, 2008).
El mecanismo de expresión de la DLP dependiente del receptor de NMDA es debido a la endocitosis del receptor AMPA de las membranas sinápticas glutamaérgicas. Este proceso endocitótico implica primeramente la disociación del receptor AMPA de sus anclajes dentro de las densidades postsinápticas y, posteriormente, el movimiento hacia el borde de la densidad postsináptica donde se invagina gracias a la presencia de proteínas como la clatrina (proteína que recubre la membranas de estructuras como los endosomas comentados anteriormente) y otras, y es regulada mediante proteínas fosfatasas dependientes de Ca 2+ . La DLP está acompañada por una mengua en el tamaño de espinas dendríticas, hecho que bien pudie ra ser consecuencia de la pérdida de receptores AMPA mediante su desfosforilación, y consecuencia de la acción inhibitoria de la calcineurina sobre la CaMKII comentado anteriormente (Luscherand y Malenka, 2012).
3.3. Alois Alzheimer y el acúmulo anómalo de la proteína β-amiloide, Aβ
Probablemente, una de las situaciones donde la pérdida de memoria inmediata se ve afectada de forma más acusada es la demencia cortical de tipo Alzheimer, donde la incapacidad para adquirir nuevos recuerdos es el síntoma inicial y más característico de esta patología. Aunque el diagnóstico de este tipo de demencia requiere de la visualización de las placas amiloides y ovillos neurofibrilares postmortem, el deterioro cognitivo comienza mucho antes, y existe una tendencia a pensar que los acúmulos de proteína βamilode son los responsables de los problemas iniciales de memoria, ya que éstos interfieren con los mecanismos celulares de la PLP y de la DLP.
Según parece, los oligómeros de Aβ inhiben la PLP e inducen cambios similares a los que desencadena en la DLP. El resultado son sinapsis más débiles que tienen dificultad para la generación de PLP, ya que los oligómeros de Aβ activan los receptores de glutamato metabotrópicos (mGlu) que conducen a la internalización de los receptores AMPA y a la DLP, lo que contribuye negativamente a la posible inducción de PLP.
Además, los oligómeros de Aβ inducen una sobreactividad de la proteína fosfatasa calcineurina, la cual, como ya sabemos, defosforila e inactiva a la CaMKII. La inhibición de la actividad de la CaMKII en las espinas dendríticas, junto con la internalización de los receptores AMPA, parecen ser los procesos iniciales que desencadenan los problemas mnémicos característicos de la demencia tipo Alzheimer. Se cree que estos cambios son la base del deterioro cognitivo temprano observado en estos individuos (Ly y Song, 2011).
4. Memoria implícita y plasticidad
Las pruebas más sólidas que unen el aprendizaje implícito con la plasticidad sináptica en el cerebro de mamíferos vienen proporcionadas por los experimentos de condicionamiento del miedo. Cuando a un animal se le presenta un tono al que le sigue una leve descarga eléctrica en las patas, paradigma de condicionamiento clásico, el animal exhibe una respuesta de miedo que consiste en quedarse paralizado o congelado del inglés «freezing». La memoria de condicionamiento del miedo se puede medir mediante «la respuesta de congelación»/«paralización» tras la posterior exposición al tono en ausencia de descarga eléctrica.
Esta forma de aprendizaje implica a la amígdala, que, como es sabido, recibe la información sensorial (auditiva) desde el tálamo y la información procesada de la corteza, y una salida (output) al hipotálamo, el cual regula las respuestas vegetativas apropiadas. Tanto los cambios sinápticos que tienen lugar en la amígdala tras la estimulación repetitiva, como la persistencia del miedo aprendido, requieren de la acción de PKA, MAPK y la activación de CREB. Además, el miedo aprendido requiere del aumento de tráfico de receptores AMPA en las sinapsis de las neuronas de la amígdala. Es importante significar que si un tono predice un período de seguridad en el que un animal está protegido de la descarga eléctrica, encontramos una DLP en las entradas auditivas a la amígdala. Así, el miedo aprendido y el pe riodo de seguridad implican cambios opuestos en la fuerza sináptica de estas neuronas (Kandel y cols., 2015).
Otra forma de memoria implícita en el cerebro de mamíferos es el condicionamiento del reflejo de parpadeo. Éste se produce por el emparejamiento de un to no con un soplo de aire en el ojo, lo que resulta en un parpadeo en respuesta al tono. Distintos estudios sugieren que previo al aprendizaje, la activación de las neuronas de Purkinje del cerebelo en respuesta al tono conduce a una inhibición de las neuronas del núcleo interpósito (uno de los núcleos profundos del cerebelo), inhibiendo con ello la salida motora. Cuando el condicionamiento tiene lugar, se observa una disminución en la actividad de las células de Purkinje en respuesta al tono, lo que resulta en una desinhibición de las neuronas del núcleo interpósito, dando lugar al parpa deo. Este modelo es consistente con la idea de que la actividad de las células de Purkinje se puede reducir como resultado de la DLP. Específicamente, la DLP es consecuencia de una disminución de la respuesta postsináptica al glutamato liberado por las fibras paralelas. Las neuronas de Purkinje responden en menor grado como resultado de una regulación a la baja del número de receptores AMPA (el condicionamiento implica el emparejamiento de las fibras paralelas y las fibras trepadoras que convergen en las células de Purkinje. Ito, 2001).
Aunque no se va a describir el proceso que tiene lugar para inducir la DLP en las neuronas de Purkinje, sí indicar que éste es consecuencia de la activación de receptores de glutamato metabotrópicos que activan la PKC, a diferencia de lo descrito en la DLP hipocampal. Estos trabajos proporcionan apoyo a la idea de la facilitación sináptica y la depresión sináptica como mecanismos paralelos para la codificación de la memoria (Kandel y cols., 2015).